15.10 - 14:32

Физики напрямую измерили волновую функцию запутанных поляризаций


 

Физики из Швеции и Китая впервые напрямую измерили волновую функцию разделенных в пространстве состояний — поляризаций двух запутанных фотонов. Для этого ученые модифицировали метод слабых измерений, заменив слабые значения модулярными. Ранее измерить волновую функцию таких состояний удавалось только с помощью квантовой томографии. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Как правило, для измерения волной функции системы физики используют квантовую томографию — изготавливают и измеряют много копий системы, а потом восстанавливают коэффициенты разложения волновой функции по базисным состояниям. При этом важно, чтобы измерения проводились в разных базисах — в противном случае информация о фазе волновой функции потеряется, и из полученных результатов получится достать только плотность вероятности (то есть квадрат волновой функции). Оба этих усложнения связаны с принципом неопределенности Гейзенберга, который связывает неопределенности двух дополнительных наблюдаемых (то есть наблюдаемых, операторы которых не коммутируют). Самый простой пример таких наблюдаемых — это координата и импульс. Если мы попытаемся точно измерить положение частицы, то мы непроизвольно «толкнем» частицу и увеличим неопределенность ее импульса. Таким образом, волновая функция частицы после измерения изменится непредсказуемым образом, и достать информацию об исходном состоянии будет невозможно.

Впрочем, квантовая томография — это не единственный способ обойти ограничения квантовой механики и измерить волновую функцию системы. Альтернативой ему служит метод слабых измерений, разработанный в 1988 году Якиром Аароновым, Давидом Альбертом и Львом Вайдманом. Грубо говоря, в этом методе измерительный прибор очень слабо возбуждает систему, извлекая небольшое количество информации о ее состоянии. Результат, полученный в результате такого измерения, называют «слабым значением» некоторой наблюдаемой. Чтобы усилить этот эффект, не разрушая квантовое состояние системы, физики специальным образом «просеивают» начальные и конечные состояния, полученные в многократных реализациях процесса. Важно отметить, что слабые измерения позволяют напрямую получить информацию о волновой функции, минуя этап реконструкции из квантовой томографии.

На практике метод слабых измерений впервые реализовала в 2011 году группа физиков под руководством Джефа Лундина (Jeff Lundeen), определившая с его помощью волновую функцию отдельного фотона. Еще несколько лет спустя та же группа распространила метод на систему из двух квантовых состояний — ортогональные поляризации одного фотона.

Впрочем, у метода слабых измерений есть один существенный недостаток: состояния измеряемой системы не могут быть разделены в пространстве. Это связано с тем, что для стандартной реализации метода все состояния должны возмущаться в один и тот же момент времени. Реализовать такое мгновенное дальнодействие на практике невозможно. В принципе, обойти этот недостаток можно с помощью многократных слабых измерений, однако с помощью такого метода полную информацию о системе получить нельзя. Поэтому для измерения волновой функции таких систем приходится возвращаться к квантовой томографии.

Группа физиков под руководством Гуан-Цань Го (Guang-Can Guo) распространила метод слабых измерений на системы с пространственно разделенными состояниями, заменив слабые значения наблюдаемых модулярными значениями. Чтобы получить такое значение, нужно спроектировать на начальное и «просеянное» состояние не сам оператор, отвечающий наблюдаемой величине, а некоторую функцию от него. Также ученые применили этот метод для двух запутанных фотонов — таким образом, исследователи впервые напрямую измерили волновую функцию двух запутанных состояний, разделенных в пространстве.

Чтобы сгенерировать запутанные фотоны, ученые светили ультрафиолетовым лазером на кристалл бета-бората бария, который превращал отдельные фотоны в фотонные пары с запутанной поляризацией и импульсом. Затем ученые измерили модулярное значение и восстановили волновую функцию запутанных поляризаций, используя в качестве «счетчика запутанности» (entangled meter) пути, по которым фотоны шли через установку. Грубо говоря, в этом методе вероятность обнаружить «счетчик» в некотором состоянии однозначно связана с действительной и мнимой частью модулярных значений операторов проекции на состояние с заданной поляризацией каждого фотона, а модулярные значения однозначно связаны с волновой функцией запутанных состояний. Для измерения вероятностей ученые использовали интерферометр Франсона, а поляризацией фотонов управляли с помощью поляризационных пластинок. В результате ученые получили волновую функцию запутанных поляризаций, которая хорошо согласуется с томографическими измерениями.

 С каждым годом физикам удается измерить свойства волновых функций все более и более сложных систем. Например, в октябре 2017 года исследователи из Австрии и Германии научились регистрировать изменение фазы волновой функции двухчастичной системы, отвечающее перестановке частиц. В январе 2018 другая группа физиков впервые измерила квадрат волной функции электрона в молекуле водорода. Для этого ученые разрушали молекулу с помощью высокоэнергетического пучка света, ловили образовавшиеся продукты распада и восстанавливали по этим данным корреляционные функции. А в июле 2019 шотландские физики впервые «сфотографировали» запутанные фотоны в момент неопределенности их физических состояний.

nplus1.ru

Ключевые слова:
Читайте также:

Все, что нужно знать об овуляции

Расчет даты овуляции крайне важен для пар, которые хотят забеременеть. Ведь это максимально благоприятный период, который соответствует периоду наибольшей фертильности.
Подробнее »»

Мужчины оказались склонны к раку кожи - исследование

Результаты исследования, проведенного учеными Университета Макгилла (Канада), позволяют сделать вывод, что мужчины генетически предрасположены к раку кожи.
Подробнее »»

Таинства приготовления еды

Наши предки многие сотни лет тому назад признавали полноценным только вегетарианское, растительное, да ещё и молочное питание.
Подробнее »»

Личи - польза для красоты и укрепления иммунитета

Плоды экзотического дерева личи имеют много полезных свойств для нашего здоровья.
Подробнее »»

Названы факторы, которые влияют на уровень холестерина

Холестерин необходим организму для нормальной работы иммунной системы, но его повышенный уровень чреват закупоркой кровеносных сосудов.
Подробнее »»

Справочная информация

Загрузка...